автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Контроль вибрационных характеристик асинхронных двигателей на основе применения методов спектрального анализа с минимизацией погрешностей

Введение

1. Задачи контроля и анализа вибрации асинхронных двигателей

1.1 Виброакустические процессы асинхронных двигателей и контроль их технического состояния

1.2 Частотные модели виброакустических процессов асинхронных двигателей

1.3 Методы, системы и погрешности контроля спектральных характеристик виброакустических процессов

1.4 Постановка задачи разработки методов и систем контроля вибрации асинхронных двигателей

2. Анализ электромагнитных процессов в асинхронных двигателях с преобразователями частоты

2.1. Обзор современных методов теоретического исследования машинно-вентильных сис££м

2.2. Особенности анализа электромагнитных процессов в АД

2.3. Разработка математической модели системы ПЧ-АД

2.4. Исследование математической модели системы ПЧ-АД на интервале постоянства структуры

Выводы по второй главе

3. Методы повышения качества спектрального анализа виброакустических процессов асинхронных двигателей

3.1 Классификация методических погрешностей спектрального анализа виброакустических процессов асинхронных двигателей

3.2 Метрологическая характеристика средств спектрального анализа вибраций

3.3 Спектральный анализ виброакустических процессов на основе оценивания текущих статистических характеристик Выводы по третьей главе 4. Проектирование систем контроля вибрации асинхронных двигателей

4.1. Показатели качества систем контроля вибрации асинхронных двигателей

4.2. Разработка систем контроля вибрации асинхронных двигателей на основе оптимальных стоимостных характеристик

4.3. Система контроля вибрации электрических машин. Экспериментальные исследования вибрационных характеристик асинхронных двигателей

Выводы по четвертой главе

Асинхронный двигатель составляет основную нагрузку большинства предприятий (около 60 % мощности). Такое широкое применение асинхронных двигателей объясняется их высокими эксплуатационными и технико-экономическими характеристиками. Поэтому даже незначительный процент отказа асинхронных двигателей приводит к тяжелым последствиям для предприятий, что обуславливает в настоящее время значительное внимание к техническому состоянию этих двигателей.

Одним их перспективных методов оценивания технического состояния асинхронных двигателей является метод вибродиагностики. В основе этих методов лежит измерение параметров и характеристик вибрации, генерируемых асинхронным двигателем, сравнение по определенным критериям экспериментальных оценок параметров и характеристик вибрации с заданными и принятие решения о техническом состоянии. Качество вибродиагностики во многом определяется достоверностью оценок параметров вибрации на этапе измерения.

Известные методы и средства контроля и измерения характеристик и параметров вибрации и шума, основанные на спектральном анализе виброакустических процессов, позволяют получать достоверные оценки только в том случае, когда в качестве модели исследуемых сигналов используется детерминированный или стационарный эргодический процесс.

Виброакустические процессы асинхронных двигателей носят сложный характер, представляют собой совокупность периодических и случайных нестационарных процессов и связаны с режимом работы. Кроме того, применение экспериментальных методов для контроля и измерения спектральных характеристик виброакустических процессов сдерживается зависимостью точности получаемых оценок от вида измеряемого спектра, от соотношения периода нестационарности процесса и времени анализа, от соотношения частотных полос измеряемых процессов и средств спектрального анализа. Это не позволяет получать спектральные оценки виброакустических процессов с заданной точностью измерения. Поэтому возникает актуальная задача оценки спектральных характеристик виброакустических процессов асинхронных двигателей с требуемой точностью.

Цель работы заключается в повышении точности измерения спектральных характеристик шума и вибрации асинхронных двигателей на основе применения экспериментально-расчетных методов анализа виброакустических процессов и оптимизации методических погрешностей.

Основные научно-практические результаты получены путем систематизации и обобщения знаний в области виброакустических исследований электрических машин и аппаратурного спектрального анализа случайных и детерминированных процессов, а также экспериментально-теоретических исследований: зависимости пульсирующих магнитных сил в зазоре электрической машины для системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ГТЧ-АД) от ее характеристик; методов спектрального анализа широкополосной вибрации электрических машин на основе оценивания текущих статистических характеристик; метрологических характеристик систем спектрального анализа; оптимизации параметров систем контроля, минимизирующих суммарную методическую погрешность средств измерения спектральных характеристик вибрации. - методики проектирования систем измерения и вибрации электрических машин на основе критерия «погрешность - стоимость».

Теоретические исследования базируются на современных методах теории вероятности, теории случайных процессов, математической статистики, спектрального анализа стационарных и нестационарных случайных процессов.

Экспериментальные результаты получены при использовании современного виброакустического измерительного оборудования.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников литературы из 112 наименований и приложения. Она изложена на 117 страницах, содержит 20 рисунков.

Выводы по четвертой главе

1. Обоснован выбор из совокупности показателей качества, которые характеризуют систему контроля вибрации, двух основных: погрешности измерения спектра вибрации и затраты на проведение испытаний.

2. Для оценки качества систем контроля вибрации в условиях априорной недостаточности сведений о спектрах предложено использовать метрологические характеристики средств измерения, отражающие их потенциальные возможности. Введен параметр, характеризующий потенциальные возможности средств измерения.

3. Разработана методика проектирования систем контроля вибрации электрических машин на основе критерия «погрешность-стоимость».

4. Примененный для теоретического исследования электромагнитных процессов в системе ПЧ-АД аппарат ТОФ позволил получить мгновенные значения токов и момента двигателя. На основе этого выявлены основные

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан новый метод контроля спектральных характеристик вибрации электрических машин на основе оценивания текущих статистических характеристик. Показано, что для уменьшения зависимости точности оценки спектральной характеристики от вида анализируемого спектра необходимо определять время усреднение в каждой частотной полосе анализа по результатам измерения текущей случайной погрешности. Это позволяет получить оценки спектральных характеристик исследуемой вибрации с заданной точностью.

2. Предложена новая метрологическая характеристика систем контроля, которая связывает спектральные характеристики исследуемых процессов с параметрами систем контроля. Это позволяет оценить качество различных методов спектрального анализа.

3. Проведены исследования зависимости пульсирующих магнитных сил в зазоре электрической машины для системы преобразователь частоты-асинхронный двигатель от ее характеристик. Установлено, что пульсации электромагнитного момента определяются схемой работы вентилей преобразователя частоты и качеством сглаживания выпрямленного напряжения. Это позволяет получить зависимость вибраций асинхронного двигателя от процессов в преобразователе частоты.

4. Разработан метод оптимизации параметров систем контроля, минимизирующий суммарную методическую погрешность средств измерения спектральных характеристик вибрации. Это позволяет определить наиболее эффективные пути уменьшения погрешностей с учетом априорных данных об исследуемых процессах.

5. Разработана методика проектирования систем контроля вибрации электрических машин на основе критерия «погрешность - стоимость». Это

108 позволяет свести задачу проектирования к задаче выбора наилучшего варианта из множества известных.

Таким образом, задача, заключающая в разработке экспериментально-расчетных методов и систем контроля вибрации асинхронных двигателей с требуемой точностью измерения, решена.

1. A.C. 736017 (СССР). Анализатор спектра случайных вибраций / Я.С. Урецкий, З.А. Баширов, А.Г. Баширова, Н.Ю. Лепехова. Опубл. в Б.И., 1980, №19.

2. A.C. 879492 (СССР) Устройство для анализа спектра широкополосных случайных сигналов / Я.С. Урецкий, З.А. Баширов, А.Г. Баширова, P.P. Каюмов, Н.П. Лоскутов. Опубл. в Б.И., 1981, № 41.

3. A.C. 1337804 (СССР) Устройство для анализа спектра широкополосных случайных сигналов / Я.С. Урецкий, З.А. Баширов, А.Г. Баширова, В.А. Уппит, А.З. Шапиро. Опубл. в Б.И., 1987, № 34.

4. Акустика: Справочник. А.П. Ефимов, A.B. Никонов, М.А. Сапожков, В.И. Шоров. М.: Радио и связь, 1989.

5. Арутюнов П. А. Теория и применение алгоритмических измерений. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 е.: ил.

6. Артоболевский И.И., Бобровицкий Ю.Г., Генкин М.Д. Введение в акустическую динамику машин. М.: 1979.

7. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1967.

8. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. М.: Мир, 1983.

9. Ю.Балицкий Ф.Я. , Иванова М.А., Соклакова А., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. М.: 1983.

10. Балл А. Аппаратурный корреляционный анализ. М.: Энергия, 1968.

11. Баронос П.П., Звиедрис A.B., Салениекс Н.К. Надежность и качествомеханических систем. Рига: 1982. И.Баширов З.А. Методы повышения качества спектрального анализа стационарной эксплуатационной вибрации // Измерительная техника. 1993. №4. С. 35.

12. Баширов З.А., Волошановский А.Ю., Тарасова H.A. Синтез пространственно-временной системы для акустической диагностики электротехнического оборудования // РНСЭ: Материалы докладов. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2001. T.II. С.163-165.

13. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. М: Наука, 1979. П.Беспалов В.Я. Машинян Л.Х., Соколова Е.М. Метод расчета статическиххарактеристик асинхронных двигателей, управляемых тиристорами. Электричество, 1979, № 7. С.34-39.

14. Бешелев С.Д., Гурвич Ф. Экспертные оценки. М.: Наука, 1973.

15. Биргер H.A. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978.

16. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983.

17. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974.

18. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат, 1982. 216 с.

19. Валиуллин P.P., Миляшов Н.Ф., Тарасов В.Н. Анализ электромагнитных процессов в машинно-вентильной системе. В сб. Системы и элементы1.lэлектрооборудования летательных аппаратов. Казань: КАИ, 1987. С.82-85.

20. Василенко Г.И. Теория востановления сигналов. М.: Сов.радио, 1979.

21. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. Теория распознавания образов. М.: Наука, 1974.

22. Венецкий И.Г., Кильдишев Г.С. Теория вероятностей и математические статистики. М.: Статистика, 1975.

23. Вибрации в технике: Справочник; в 6т. М.: 1978-1981.

24. Владимиров B.C. Обобщенные функции в математической физике. М.: Наука, 1976.280 с.

25. Воллернер Н.Ф. Аппаратурный спектральный анализ. М.: Сов. Радио, 1969.

26. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. 839 с.

27. Гаспарский В. Праксеологический анализ проектно-конструкторских разработок. М.: Мир, 1978, 174 С.

28. Гельфанд И.М., Шилов Г.Е. Обобщенные функции. М.: Физматиздат, т.1-IV, 1958- 1961.

29. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987.

30. Генкин М.Д. Вопросы акустической диагностики. М.: Машиностроение, 1975.

31. Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Л.: Энергия, 1969. 184 с.

32. Глазенко Т.А., Хрисанов В.И. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 176 с.

33. Голд Б, Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов.радио, 1973.

34. Горелик А.Л. Общий подход к построению систем технической диагностики. Рига: 1983.

35. ГОСТ 23941-79 Шум. Методы определения шумовых характеристик. Общее требования.

36. ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения.

37. ГОСТ 24347-80 Вибрация. Обозначения и величины.

38. ГОСТ 25275-82 Система стандартов по вибрации.

39. Грибанов Ю.И., Мальков B.JI. Спектральный анализ случайных процессов. М.: Энергия, 1974.

40. Грибанов Ю.И., Мальков B.JL Выборочные оценки спектральных характеристик стационарных процессов. -М.: Энергия, 1978, 152 е.: ил.

41. Грузов B.JL, Сабинин Ю.А. Асинхронные маломощные приводы со статическими преобразователями. JI.: Энергия, 1970. 136 с.

42. Гуткин JI.C. Проектирование радиосистем и радиоустройств: учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1986, 288 С.

43. Гуткин JI.C. Оптимизация радиоэлектронных устройств. М.: Сов. Радио, 1965,367 С.

44. Гутников В. С. Фильтрация измерительных сигналов. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990.- 192 с.: ил.

45. Дабагян А. В. Проектирование технических систем. М.: Машиностроение, 1986.

46. Джинкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1971.

47. Добрынин A.C. Фельдман М.С. Методы автоматизированного эксперимента в динамике машин М.: Наука, 1989.

48. Жовинский А.Н., Жовинский В.Н. Инженерный экспресс анализ случайных процессов. М.: Энергия, 1979.

49. Исакович М.А. Общая акустика . М. : Машиностроение, 1973.

50. Испытательная техника: Справочник. В 2-х кн./ Под. Ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1982.

51. Кеч В., Теодореску П. Введение в теорию обобщенных функций с применением в технике. М.: Мир, 1978. 518 с.

52. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. 744 с.

53. Коллакот P.A. Диагностирование механического оборудования. Л.: 1980.

54. Константинеску И.Н. Применение теории распределений к анализу электрических цепей. Электричество, 1983, № 9. С.41-43.

55. Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. М.: Советское радио, 1975. 320 с.

56. Коняев К. В. Спектральный анализ случайных процессов и полей. М.: Мир, 1968,315 с.

57. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высш. шк., 1987. 248 с.

58. Копылов И.П., Щедрин О.П. Расчет на ЦВМ характеристик асинхронных машин. М.: Энергия, 1973. 120 с.

59. Кораблев С.С. Вибродиагностика механических систем. Рига: 1983.

60. Кренделла С. Случайные колебания. М.: Мир, 1967.

61. Кропачев Г.Ф., Миляшов Н.Ф., Тарасов В.Н. Моделирование процессов в преобразователях постоянного тока с применением аппарата теории обобщенных функций. В сб. Системы и элементы электрооборудования летательных аппаратов. Казань: КАИ, 1985. С.50-57.

62. Лутидзе Ш.И., Михневич Г.В., Тафт В.А. Введение в динамику синхронных машин и машинно-полупроводниковых систем. М.: Наука, 1973.338 с.

63. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М.: Машиностроение, 1983.

64. Марпл C.J1. (младший) Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990.

65. Мелихов А.Н., Берштейн JI.C., Курейчик В.М. Применение графов для проектирования дискретных устройств, М.: Наука, 1974, 303 с.

66. Мирский Г.Я. Аппаратное определение характеристик случайных процессов. М.: Энергия, 1972.

67. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения. М.: Энергоиздат, 1982, 320 е.: ил.

68. Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. М.: Энергия, 1975. 600 с.

69. Основы метрологии и электрических измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонов, Е.М. Душин и др.; Под ред. Е.М. Душина. 6-изд., перер. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1987.-480 е.: ил.

70. Петровский A.A. Методы и микропроцессорные средства обработки широкополосных и быстропротекающих процессов. Минск.: Наука и техника, 1988.

71. Приборы и системы для измерения, шума и удара: Справочник. В 2-х кн.: Кн. 1/Под. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1973. 448 с.

72. Приборы и системы для измерения, шума и удара: Справочник. В 2-х кн.: Кн.2/Под. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1973. 439 с.

73. Петровский B.C. Анализ нестационарных акустических процессов. М.: Изд-во стандартов, 1987. 224 е., ил.

74. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронных вычислительных машинах. М.: Сов. радио, 1971.

75. Попков В.И., Мышинский Э.Л., Попков О.И. Виброакустическая диагностика в судостроении. Л.: 1983.

76. Попков В. И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов. Л.: Судостроение, 1974. 224 с.

77. Проспект фирмы «L-card», 2000г.

78. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978. 343 с.

79. Розенберг Б.М. Применение обобщенного дифференцирования для исследования электромагнитных процессов в цепях с управляемым вентилем. Электромеханика, 1980, № 1. С.31-35.

80. Розенфельд A.C., Яхинсон Б.И. Переходные процессы и обобщенные функции. М.: Наука, 1966. 440 с.

81. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов измерений. М.: Наука, 1971.

82. Свешников A.A. Прикладные методы теории случайных функций. М.: Наука, 1968.

83. Сили С. Электромеханическое преобразование энергии. М.: Энергия, 1968. 376 с.

84. Соколова А.Г. Методы акустической диагностики зарождающихся эксплутационных дефектов механизмов. Рига: 1984.

85. Соколова А.Г. Методы и средства технической диагностики. М.: ЦНИИТЭИ, 1981. Вып. 1.

86. Такеути Т. Теория и применение вентильных цепей для регулирования двигателей. Л.: Энергия, 1973. 250 с.

87. Тарасов В.Н., Миляшов Н.Ф. Применение обобщенных функций при моделировании процессов в машинно-вентильных системах. В сб. «Электроэнергетика». Казань: Казан, фил. Моск. энерг. ин-та, 1998. С.134- 138.

88. Тарасова H.A., Баширов З.А. Метрологические характеристики средств спектрального анализа анализа // Известия Вузов. Проблемы энергетики. 2002. № 11-12. С.114-116.

89. Тарасова H.A., Миляшов Н.Ф., Катков С.Н. Преобразователь частоты для двухфазного асинхронного двигателя // Материалы докладов республиканской научной конференции «Проблемы энергетики»: 4.2: / Тр. Казан, фил. Моск. энерг. ин-та, 1997. С.20.

90. Тарасова H.A., Миляшов Н.Ф., Катков С.Н. Электромагнитные переходные процессы в двухфазной системе ПЧ-АД // Электроэнергетика. Межвуз. темат. сб. научн. трудов. Казань: Казан, фил. Моск. энерг. ин-та, 1998. С. 139-142.

91. Тихонов А.Н., Арсенин В. Ф. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979. 285 с.

92. Трахтман A.M. Введение в обобщенную спектральную теорию сигналов. М.: Сов. Радио, 1972. 352с.

93. Трещев И.И. Методы исследования электромагнитных процессов в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1969. 236 с.

94. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. М.-Л.: Энергия, 1964. 528 с.

95. Хасаев О.И. Транзисторные преобразователи напряжения и частоты. М.: Наука, 1966. 176 с.

96. Харкевич A.A. Спектры и анализ. Физматгиз, 1962. 236 с.

97. Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. М.: Мир, 1979.

98. Хэнкок Н. Матричный анализ электрических машин. М.: Энергия, 1967. 224 с.

99. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. Л.: Энергия, 1979. 233с.

100. Цветков Э.И. Нестационарные случайные процессы и их анализ. М.: Энергия, 1973. 123с.

101. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки сигналов на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.

102. Проректор по учебно-методической работе, к.в.н., доцент

103. Декан факультета Электронной Техники и Автоматики, д.ф.-м.н., профессор1. В .Г .Новосельский

104. Заведующий кафедрой ТОЭ д.т.н., профессор

105. Директор учебно-методического

106. Начальник учебно-методическогс управления, к.т.н., доцентцентра, к.т.н., доцент

107. Декан факультета Управления и Автоматизации, д.п.н., профессо.1. Р.Н. Зарипов

108. Заведующий кафедрой «Электропривод и электротехника» д.т.н., профессор

109. Методист кафедры «Электропривод и электротехника» к.т.н., доцент